復(fù)雜地質(zhì)條件下高水頭水電站主要工程地質(zhì)問題及處理

殷國鋒

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002)

1 工程概況

南極洛河水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)，首部樞紐位于瀾滄江上游右岸一級支流南極洛河上，廠址位于瀾滄江右岸，距南極洛河與瀾滄江交匯處下游直線距離約1.0 km處。電站為高水頭有壓引水式電站，水庫正常蓄水位高程2 918 m，最大設(shè)計靜水頭1 087 m，裝機容量70 MW。工程建筑物主要由首部樞紐、發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井、壓力管道、地面廠房等組成。工程于2012年8月開工，2015年12月投入運行。

本工程前期開展了一定的勘察工作，以地質(zhì)測繪為主，壩址和廠址進行了少量鉆探。

2 工程區(qū)地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

工程區(qū)位于青藏高原東南緣，橫斷山脈中段的“三江”并流區(qū)，工程區(qū)群山縱橫，河流穿插切割，山脈和峽谷相襯，構(gòu)成了流域高中山、山地及谷壩鑲嵌其中的總體地形地貌，屬典型高原峽谷地形。

2.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)出露的地層由老到新有：元古界崇山群(Ptch)片麻巖、二云片巖、變粒巖等、石炭系(C)片巖、板巖、大理巖等、二疊系下統(tǒng)(P1)千枚巖、砂巖、板巖等；二疊系上統(tǒng)(P2)砂巖、千枚巖、板巖等；三疊系中統(tǒng)(T2)流紋巖、千枚狀板巖等；侏羅系中統(tǒng)(J2)砂巖、板巖等；第四系松散堆積體。局部有燕山晚期酸性巖漿的侵入。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)位于歐亞板塊與印度板塊碰撞擠壓帶東南緣，大地構(gòu)造單元上為三江地槽的唐古拉—蘭坪思茅地層褶皺系，東部為松潘甘孜地槽，西邊為唐古拉地槽褶皺系。受印度板塊和歐亞板塊碰撞的影響，新構(gòu)造運動十分強烈，區(qū)域斷裂構(gòu)造復(fù)雜，一系列的近南北向深斷裂構(gòu)成區(qū)域構(gòu)造格架(如瀾滄江深斷裂等)。

工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要以北北西向斷裂為主，發(fā)育的主要斷裂帶有：獐子山斷裂(F1)、南極洛斷裂(F2)、巴東斷裂(F3)、洛扎洛斷裂(F4)、結(jié)義斷裂(F5)、熱水塘斷裂(F6)和巴迪斷裂(F7)。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分布如下所示(見圖1)。

3 首部樞紐主要工程地質(zhì)問題及施工處理

3.1 工程地質(zhì)條件

首部樞紐擋水建筑物位于南極洛河上，壩型為混凝土重力壩，最大壩高21.5 m。壩軸線處河谷地形較開闊，地表高程2 897～2 900 m，寬約80 m，河水面寬約15 m，水流湍急。河床覆蓋層為第四系沖洪積砂卵礫石夾孤石，局部見漂石，上部較松散，下部較密實，中等—強透水性，最大厚度57 m。壩址基巖為元古界崇山群片麻巖，巖層產(chǎn)狀N35°W，SW∠65°，與壩軸線交角約25°，傾向上游右岸；左岸弱風(fēng)化基巖裸露，右岸崩坡積覆蓋層厚度達8～11 m，成分為粉質(zhì)粘土夾碎塊石。壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，斷層不發(fā)育。

圖1 南極洛河水電站區(qū)域地質(zhì)圖

3.2 主要工程地質(zhì)問題

首部樞紐主要工程地質(zhì)問題是河床覆蓋層深厚，上部砂礫石層堆積松散，承載力低，不能直接作為重力壩壩基，需進行地基處理。同時，壩基河床砂卵礫石層屬中等～強透水性，存在滲漏和滲透穩(wěn)定問題，兩岸上部基巖透水率大于10 Lu,亦存在滲漏問題，需防滲處理。

3.3 施工處理措施

3.3.1 地基處理

南極洛河首部樞紐為混凝土重力壩，從左岸到右岸依次為左岸非溢流壩段、溢流壩段、泄洪沖沙閘、發(fā)電進水口、右岸土石連接壩段組成。壩頂總長147.5 m。

施工中壩基開挖分兩期進行，右岸為一期基坑，左岸為二期基坑，一期基坑先開挖。一期基坑開挖至2 890 m高程后未見基巖，加深開挖至2 885 m 高程后仍為砂卵礫石層；后經(jīng)過補充勘察，發(fā)現(xiàn)原勘察單位將河床漂石局部誤判為基巖，實際河床覆蓋層最大厚度57 m(自原始地表起算)。

由于覆蓋層太深，壩基按原設(shè)計方案開挖至弱風(fēng)化基巖已經(jīng)不可行。經(jīng)分析論證，決定對壩基左右岸開挖至不同的高程并回填處理。具體方案如下：一期基坑右岸坡連接壩段，挖除地表松散砂卵礫石和崩坡積層，挖深至2 894 m高程；一期基坑及右岸坡連接壩段基坑均采用碎塊石分層碾壓回填至2 898 m 高程；二期基坑挖除河床上部砂卵礫石至2 894 m高程，采用碎塊石分層碾壓回填至2 898 m高程。經(jīng)過上述地基處理后，大壩建基面統(tǒng)一抬升至2 898 m高程。

回填完成后進行了10組載荷試驗，試驗結(jié)果表明回填后地基承載力均不低于350 kPa，滿足設(shè)計要求。

3.3.2 滲控處理

為了解決壩基滲漏和滲透穩(wěn)定問題，河床段壩基采用混凝土防滲墻處理，兩岸基巖進行帷幕灌漿。河床段防滲墻軸線位于壩軸線上游14.70 m，軸線方向在右岸壩橫0+062.9往下游拐向發(fā)電洞進水口方向，右岸防滲墻延伸到正常蓄水位與相對不透水層線(q≤5 Lu)的交點。防滲墻中采用沖擊鉆機造孔，粘土泥漿固壁，墻底深入弱風(fēng)化基巖深度不少于0.5 m。為了與河床壩段上游防滲墻形成封閉的防滲體系，兩岸壩段基巖進行了帷幕灌漿，灌漿孔深度深入到相對不透水層界線(q≤5 Lu)以下5 m。

4 發(fā)電引水系統(tǒng)主要工程地質(zhì)問題及施工處理

4.1 概況

本工程發(fā)電引水系統(tǒng)包括進水口、發(fā)電引水隧洞、調(diào)壓井和壓力管道。進水口位于首部樞紐右岸7號壩段位置，進水口與發(fā)電引水隧洞進口之間采用外包混凝土鋼管連接。發(fā)電引水隧洞為長5 300 m的有壓隧洞，圓拱直墻型開挖斷面，調(diào)壓井布置于隧洞末端，調(diào)壓井后接壓力管道；壓力管道全長1 989 m，采用洞內(nèi)埋管方式，由8段平洞(城門洞形開挖斷面)和7段斜井(圓形開挖斷面)組成。

4.2 工程地質(zhì)條件

發(fā)電引水隧洞穿越陡峭的中高山峽谷區(qū)，隧洞埋深一般200～1 000 m。發(fā)電引水隧洞從上游到下游依次為元古界崇山群、燕山晚期、三疊系中統(tǒng)、侏羅系中統(tǒng)、二疊系上統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)地層，巖性以花崗巖、砂巖、板巖、片巖為主。隧洞沿線穿越3條區(qū)域斷裂，從上游到下游依次為：南極洛斷裂(F2)，從隧洞樁號2+225 m附近通過，近SN向延伸，向西傾，傾角65°～75°，主要由片狀巖、構(gòu)造角礫巖組成，夾少量糜棱巖、斷層泥，斷裂帶寬約80 m。巴東斷裂(F3)從隧洞樁號3+975 m附近通過，產(chǎn)狀N0°～10°W，SW∠70°～85°，主要由壓碎巖、夾少量斷層，兩側(cè)巖層擠壓倒轉(zhuǎn)，牽引褶曲發(fā)育,斷裂帶寬約110 m。洛扎洛斷裂(F4)從隧洞樁號4+375 m附近通過，產(chǎn)狀N0～10°W，NE∠60°～80°，斷裂破碎帶見壓碎巖、千枚巖、糜棱巖等,斷裂帶寬約100 m。另外結(jié)義斷裂(F5)從壓力管道中段通過，產(chǎn)狀N15°W，NE∠80°～90°，斷裂帶強烈擠壓，巖石破碎，片理發(fā)育。

依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，進行隧洞圍巖分類，以巖石強度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀五項因素之和的總評分為基本判據(jù)，圍巖強度應(yīng)力比為限定判據(jù)。發(fā)電引水隧洞圍巖分類結(jié)果如下：Ⅱ類圍巖長498 m，占總長的9.4%；Ⅲ類圍巖長2 240 m，占總長的42.3%；Ⅳ～Ⅴ類圍巖長2 562 m，占總長的48.3%。壓力管道圍巖分類結(jié)果如下：Ⅱ類圍巖長215 m，占總長的10.8%；Ⅲ類圍巖長320 m，占總長的16.1%；Ⅳ～Ⅴ類圍巖長1 454 m，占總長的73.1%。

4.3 主要工程地質(zhì)問題

發(fā)電引水系統(tǒng)沿線通過4條大斷裂，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，主要受斷層、節(jié)理發(fā)育程度、巖性和地下水控制，除了進口段(圍巖為花崗巖)Ⅱ類圍巖占比較高外，其余洞段Ⅳ～Ⅴ類圍巖占比在50%以上。Ⅳ～Ⅴ類圍巖洞室極不穩(wěn)定，為施工期臨時支護造成了極大的挑戰(zhàn)。

4.4 施工處理措施

Ⅱ類圍巖不進行臨時支護，局部不穩(wěn)定巖體采用隨機錨桿處理。Ⅲ類圍巖結(jié)合永久支護要求采用隨機(系統(tǒng))錨桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴C25混凝土支護等措施。Ⅳ、Ⅴ類圍巖開挖中臨時支護采用鋼拱架、超前小導(dǎo)管等措施，二次支護需采用混凝土襯砌。壓力管道段管道安裝完成后回填混凝土處理。

5 廠址主要工程地質(zhì)問題及施工處理

5.1 工程地質(zhì)條件

廠址位于瀾滄江右岸一級階地上，廠后邊坡坡度35°～40°，覆蓋層為第四系殘坡積碎石土，廠址地表厚度5～12 m?；鶐r為二疊系下統(tǒng)(P1)千枚狀板巖和長石細(xì)砂巖，呈不等厚互層，巖層產(chǎn)狀N16°E，NW∠65°。壓力管道平洞開挖揭露強卸荷帶埋深10～42 m，邊坡巖層卸荷變形強烈，巖體破碎。

5.2 主要工程地質(zhì)問題

廠址工程地質(zhì)條件一般，挖除地表覆蓋層后，廠房基礎(chǔ)可置于弱風(fēng)化基巖上，滿足承載力要求。存在的主要工程地質(zhì)問題是廠房基礎(chǔ)開挖量較大，開挖后形成廠后高邊坡。雖然廠址巖層傾向瀾滄江上游，斜傾山體內(nèi)，自然邊坡總體穩(wěn)定，但由于廠后山體風(fēng)化卸荷強烈，施工時需要重視邊坡穩(wěn)定問題。

5.3 施工處理措施

廠后邊坡開挖過程中，由于坡體上部強卸荷帶巖體松散破碎，且開挖后未及時支護，導(dǎo)致主廠房段和裝配廠之間邊坡發(fā)生坍方，坍塌段上下游長約20 m，高差40 m，幸未造成人員傷亡。坍塌發(fā)生后，清除表層松動巖石后，采取噴混凝土臨時封閉破面，掛網(wǎng)錨噴處理，坍方坡口線外委布設(shè)2排鎖口錨筋樁。

廠后邊坡永久處理措施：預(yù)應(yīng)力錨索加貼坡混凝土，坡面布設(shè)排水孔加強排水，坡頂外側(cè)設(shè)置被動防護網(wǎng)、截水溝等處理措施。廠后邊坡共布置了18只振炫式多點位移計進行邊坡變形監(jiān)測，監(jiān)測周期為30 d電子讀數(shù)1次。監(jiān)測資料顯示，廠房自2015年底投產(chǎn)至今，各監(jiān)測點位移在小范圍內(nèi)浮動，與時間季節(jié)有關(guān)且呈周期性變化，說明邊坡穩(wěn)定。

6 結(jié) 語

(1)南極洛河水電站地處滇西北“三江”并流區(qū)，壩址位于瀾滄江深大斷裂河谷的支流，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。

(2)壩址河谷分布有深厚松散層，壩基基坑開挖15 m深后發(fā)現(xiàn)原勘察單位將河床漂石局部誤判為基巖，后經(jīng)補充勘察，查明了壩址區(qū)深厚松散層的分布。壩基基坑采用碎塊石分層碾壓回填至原始地表，作為重力壩基礎(chǔ)；河床段壩基采用混凝土防滲墻，兩岸坡基巖進行帷幕灌漿來解決壩基防滲問題。

(3)發(fā)電引水系統(tǒng)沿線工程地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越多條斷裂帶，巖性以片巖板巖為主，成洞條件差。隧洞開挖期間，通過加強施工地質(zhì)工作，及時進行圍巖編錄和超前預(yù)報，保障了隧洞的安全順利貫通。

(4)廠址后邊坡巖體風(fēng)化卸荷強烈，邊坡開挖時由于未及時支護，曾發(fā)生淺層滑坡，后采用了預(yù)應(yīng)力錨索加貼坡混凝土處理。

(5)南極洛河水電站自2015年底投產(chǎn)至今，已安全運行5年多。實踐表明，所采取的工程處理措施是合理、成功的，可供復(fù)雜地質(zhì)條件下類似工程借鑒。

(6)由于受多方面因素制約，中小型水電工程前期勘察周期一般均較短，外業(yè)勘察手段通常以地表地質(zhì)測繪為主。因此，施工階段應(yīng)加強施工地質(zhì)工作，及時預(yù)測、發(fā)現(xiàn)并處理施工揭露的重大地質(zhì)問題，彌補前期勘察工作的不足，保障工程施工順利進行。